摘要： 激光焊接已经成为工业激光器应用中发展最快的领域。 新型高效激光光源， 如降低每瓦成本的盘形激光器的发展可以使激光加工的效率大大提高。 TRUMPF在几年前引入了盘形激光器， 今天它已经成为市场上最可信赖的激光工具。 盘形激光器卓越的光束质量和高达10 kW的输出功率使其在汽车工业以及厚片焊接中 (如重型建筑和造船业中) 具有重要应用。 本文综述了TRUMPF盘形激光器的最新发展以及在切割、 焊接、 遥感焊接和复合焊接等领域的应用， 并介绍了盘形激光器在增加功率方面的发展前景以及在进一步提高生产力和经济发展中的重要作用。
一、 引 言
在过去的20 年中， CO2激光器、 盘形激光器和光纤激光器为成为工业切割与焊接应用领域的最佳高功率 (>1 kW) 激光器而竞争。 由于高光束质量及固有的良好切割质量， CO2激光器成为高质量切割更大厚度材料的选择工具; 而且由于只有较少的溅污形成， CO2激光器在非复合厚片焊接中也具有良好的应用。
CO2激光器的缺点是它需要一个基于光束传输系统的反射镜： 由于光束的引导， 柔性自动机械的使用变得很复杂。 然而， 另一方面， 自动机械的使用能削减系统的复杂性， 因此也就极大地节省了系统成本。 利用波长约为 1 μm 的固体激光器可以将成本节约的潜力恰当地体现出来。 由于玻璃的透射光谱， 激光光束可以通过光纤被灵活控制。因此， 对于那些厚度较薄的材料， 特别是那些焊接和切割需要自动化光束控制的材料， 光纤传输激光器具有明显的优势。光纤传输千瓦级激光器的市场份额一直被灯泵浦 Nd∶YAG 激光器所占有。 然而， 最近研制成功的薄盘形激光器能改进光束质量并且其加工能力可与CO2激光器匹配 (某些情况下甚至超过 CO2激光器)。 由于光束质量和功率调节能力， 在厚金属板焊接以及类电子束狭缝焊合应用方面， TRUMPF 的高功率盘形激光器具有经济适用和可完美加工等优点。
二 薄盘形激光器
盘形激光器已经发展成为输出功率高达 10 kW 的工业工具， 其光束质量满足应用需求 (即 2 mm·mrad(1 kW), 8 mm·mrad(2~8 kW)与 12 mm·mrad(10 kW))。
通过迅速建立光场中相同组件的强大基础， 盘形激光器的模块设计确保了高激光利用率 (例如，到 2007 年 12 月， 有超过 600 台 TRUMPF 盘形激光器反应腔和超过 2 400 个二极管模块应用在不同的工业制造领域)。 大部分组件被证明能在光场中暴露15 年以上， 比如光纤耦合光束传输、 光束匹配以及聚焦光学器件等， 它们都与灯泵浦激光器系统相匹配。薄盘形激光器的二极管寿命确保在 20 000 h 以上。 在极少情况下， 如果激光器系统遇到了偶然故障的情况， 操作者也可以迅速更换光场中的二极管模块。 对于高功率系列 (4 kW 及其以上)， 当一个二极管模块无论因何原因失效时， 其冗余模式都允许激光器连续操作。二极管激光器的光用于泵浦薄盘， 利用一个简单的光路系统， 泵浦光通过薄盘时可以被导引高达20 倍， 这保证了盘形激光器的高效率。
图 1 给出了圆盘谐振腔的结构， 其中圆盘放置在中央， 通过激光二极管进行泵浦。二极管泵浦的盘形激光器得到的高光束质量主要是发射激光媒质中散热能力的函数。 将圆盘 (大约直径为 14 mm， 厚度为 0.15 mm) 放置在水冷石块上 (热沉片)， 由于圆盘面向热沉片且圆盘很薄，因此冷却非常有效且产生的热梯度几乎可以忽略。盘形激光器的输出功率可以通过两种方式进行测量。 第一， 每个圆盘的输出功率直接与泵浦源的功率成比例。 盘形激光器的泵浦源由离散模块组成，泵浦模块的数量可以通过调整与每个圆盘的理想输出功率相匹配。 第二， 几个圆盘可以按光学方法串联排列， 以便在固定的光束质量条件下进一步增加输出功率， 可以组装的圆盘数量高达 4 个。 装有 4个圆盘的商业系统在工件中可以保证 10 kW 的输出功率， 这与 2.5 kW/disk 的输出功率是等效的。
到目前为止， 实验研究还没能得到每圆盘最大输出功率的基本极限。 Stuttgart 大学的计算结果表明， 从原理上说， 达到 30 kW/disk 的输出功率是可能的。
以大孔径和弱增益介质为基础的薄盘形激光器对背反射极其不敏感， 因此薄盘形激光器能对高反射材料进行处理， 比如铝和铜等对激光器无严重损伤的材料。 同时， 由于薄盘形激光器优良的光束质量和窄的发射带宽， 其激光器光缆长度可以不受限制， 光束传输光纤长度超过百米的系统现在已经可以实现。
图 2 显示了圆盘上适合泵浦点的选择区， 这对于输出功率/disk 的测量是有利的。 当保持泵浦功率密度不变时， 来自单个圆盘的输出功率可能增加，只有泵浦点的直径随着理想输出功率的平方根增加。相反地， 对于条状或光纤激光器， 即使是在最高的输出功率， 圆盘本身的输出功率密度也是不变的。TRUMPF 实现了超过 5 kW/disk 的输出功率。更重要的是其卓越的光学性能， 盘形激光器的光学效率大约为 65 %。考虑以上的结果， 盘形激光器的发展前景是显而易见的。 4 个圆盘耦合将引领输出功率为 16 kW的高功率激光器的发展。 TRUMPF 宣布他们将在2009 年推出该激光器的工业产品。
三 盘形激光器的工业应用
如今， 工业用盘形激光器的输出功率从几瓦一直增加到 10 kW， 这就意味着薄盘形激光器将覆盖从微钻孔到厚片金属焊接的应用。 激光器的光束质量也与各自的应用相适应。 如果工业应用需要不同的光束质量， 例如对于复合焊接， 可以通过插入大芯直径的光纤进行简单调整而实现。可实现的薄盘形激光器的巨大优势是其插栓和光纤传输能力。 这意味着不需要在激光一侧或光学系统一侧进行任何光学准直即可实现光纤交换， 这对于小芯直径的光纤也是可能的 (例如 TRUMPF 的1 kW 盘形激光器使用的光纤直径为 50 μm)。 集成化功率的封闭循环控制确保了盘形激光器的输出功率在任何时候都保持不变， 如果输出功率用这种方式进行控制， 就可实现重复性处理结果。
四 切割
如前所述， 盘形激光器的光束质量与应用需要相适应。 对于薄片列阵的切割和焊接， 1 kW 的盘形激光器已经是性能非常优良的激光器。 2 mm·mrad的光束质量很适合于切割过程。 与光束质量有关的最大切割速度研究证明， 在 1 kW 的功率范围内，2 mm·mrad 的光束质量已经可以达到最大的切割速度 。 即使使用单模光束质量 ， 其切割速度仍与2 mm·mrad 光束质量的切割速度相同 (如图 3)
相似的结果如图 4， 图4为 1 kW 固体激光器对不锈钢的切割曲线。 对比可以发现，两个不同光束质量(单模和 2 mm·mrad)的激光器达到了相同的切割速度。
五 焊接
激光焊接可以分为两种不同类型：
(a) 遥感激光焊接 (长焦距 w/扫描光学系统)
(b) 传统激光焊接 (短焦距 w/固定光学系统)
在 CO2激光器的世界中， 近几年在焊接领域出现了一个独特的概念。 由于具有卓越光束质量的激光器功率增大 (例如 TRUMPF TLF 6000 HQ， 接近Gaussian 模式的 6 kW 激光器)， 现在为人熟知的遥感焊接过程已成为可能。 由于盘形激光器优良的光束质量以及被TRUMPF 的可编程调焦光学系统(PFO) 激活， 遥感焊接在 YAG 领域的应用非常广泛， 工业制造部门安装了超过 700 个系统， 涵盖了不同的汽车应用领域。主要的应用范围是汽车的白色车体和座位制造。 遥感激光焊接的优点是具有非常高的加工性能，3~4 个激光焊接可以在 1 s 内完成。 遥感激光焊接加工特别适用于小区域内需要大量焊接的部位。 根据焊接穿孔和循环时间需求， 车体装配一般需要 4~6 kW的激光输出功率。
目前， 戴姆勒和奥迪汽车在系列产品制造中使用了大量的盘形激光器， 包括焊接门窗、 仪表板和车体的其它部分等。 该事实清楚地证明， 盘形激光器对于强韧、 短时间需要多次移位的工业操作非常适合。 盘形激光器的标准运行时间达到了 99 %。除了激光器光源本身， 激光器的光扫描器也对可达到的最高性能起着重要的作用。 2007 年初，TRUMPF 引进了新型的 PFO 3D， 它是一个具有 x-y扫描器和 z 轴的焊接头。 通过对镜头进行适当驱动可以使 z 轴达到高的动力学特性， 该驱动无磨损且可在千赫兹范围内进行操作。
图 5 为新型扫描头的原理图。图 6 给出了厚片金属焊接的典型应用， 其中8 kW 的输出功率可以执行具有高纵横比的 6 mm 狭缝焊接。8 kW 光束输出的其它应用包括重型机械制造、轨道车构建、 商业车辆制造和管道制造等， 在这些应用中通常采用复合加工。
六、 发展趋势
由于工业盘形激光器的每个圆盘的光束质量、最小脉冲时间、 最大脉冲能量或输出功率还没有达到任何原理极限， 因此，可以说薄盘形激光器技术的发展仍将继续。 两个基本的未来需求将驱动薄盘形激光技术的发展， 消费者对进一步减少每千瓦价格的愿望是最有影响力的， 所有者的成本可以通过增加开发输出功率/disk 来降低。 因此，在今后两年， 4 kW/disk 输出功率的工业激光器将提上日程。首先， 这意味着具有相同输出功率的激光器元件将被削减， 由此可提高每千瓦的价值并降低占用空间要求; 其次， 可以使具有 4 个串联圆盘激光器的输出功率达到 16 kW (如图 7)。
这将满足第二个未来需求： 高输出功率。 特别是重型制造领域， 需要 8 kW 以上输出功率的复合焊接 (将激光器与 MIG 或 TIG 焊接过程结合) 应用非常重要。 在该功率水平， 只有固体激光器可以提供光纤传输所需要的灵活性。降低每千瓦价格的潜力已经很明显， 以 2005年 4 kW 盘形激光器的出售价格为参考点， 2007 年每千瓦的成本降低了 50 %， 2009 年 TRUMPF 将使每千瓦的成本比 2005 年降低 60 %以上。 同时， 盘形激光器的操作运行成本将会极大地降低。 高于 27 %的墙装插头效率 (定义为由输入到激光器的电功率分开的工件所能保证的输出功率) 将降低能量成本与基础构造费用， 4 kW 激光器的例子表明， 甚至二极管成本也能极大降低。 2005 年， 具有 16 个泵浦模块的系统类型开始兴起， 目前， 达到相同的输出功率仅需要 8 个泵浦模块。 虽然单个泵浦模块的输出功率已经极大提高， 但其价格还没有明显降低。总而言之， 相同输出功率的二极管价格降低了 40 %以上。 目前， 正在研制更高输出功率的二极管， 它将进一步削减二极管的成本。
